重磅！填補(bǔ)我國空白，這個傳感器儀器獲重大突破

來源：傳感器專家網(wǎng)

該工作填補(bǔ)了國內(nèi)在深海質(zhì)譜儀研制領(lǐng)域的空白，為我國深海、深淵探測戰(zhàn)略提供更多技術(shù)支持和保障，同時為后續(xù)尋找海底油氣及礦產(chǎn)資源，探究生命起源和早期演化以及研究全球氣候變化等奠定了原位質(zhì)譜探測基礎(chǔ)。

編輯：感知芯視界

近日，據(jù)中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所中科院合肥研究院智能所官方公眾號公布，該所研制出了國內(nèi)首臺深海質(zhì)譜儀，并在南海某海域成功完成多次海試，該工作填補(bǔ)了國內(nèi)在深海質(zhì)譜儀研制領(lǐng)域的空白：

質(zhì)譜儀是一種分離和檢測不同同位素的儀器。利用質(zhì)譜儀，可以對相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析，為確定化合物的分子式和分子結(jié)構(gòu)等提供可靠的依據(jù)。

深海質(zhì)譜儀的研制，可以為尋找海底油氣及礦產(chǎn)資源，探究生命起源和早期演化以及研究全球氣候變化等奠定了原位質(zhì)譜探測基礎(chǔ)。

中科院合肥物質(zhì)院智能所陳池來研究團(tuán)隊(duì)，長期致力于新型MEMS質(zhì)譜關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究。作為深海智能感知技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共建單位成員，團(tuán)隊(duì)先后突破質(zhì)譜小型化設(shè)計(jì)集成、質(zhì)譜關(guān)鍵器件MEMS制造、水下膜進(jìn)樣快速定量標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)。

經(jīng)過多年攻關(guān)，該團(tuán)隊(duì)成功研制出國內(nèi)首套深海質(zhì)譜儀，可在原位實(shí)現(xiàn)深海中N2、O2、Ar、CO2、CH4等小分子溶解氣以及烷烴、芳香烴等揮發(fā)性有機(jī)物溶解氣的定性及定量檢測。

深海極端環(huán)境塑造了特殊的生命過程，蘊(yùn)藏著極大的礦產(chǎn)資源，對其探測是國際地球科學(xué)研究的前沿問題。深海原位探測技術(shù)可以在時間和空間維度上連續(xù)獲取深海樣品的組分、含量及其變化信息，因此被越來越廣泛地應(yīng)用于深海極端環(huán)境的研究工作中。

2022年至今，該團(tuán)隊(duì)成員王晗、邵磊等攜帶深海質(zhì)譜儀參加了多次專項(xiàng)海試，驗(yàn)證了其工作原理及工程應(yīng)用的可行性，完成了設(shè)備功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、海底定點(diǎn)在線檢測實(shí)驗(yàn)及深度掃描試驗(yàn)。

不僅如此，通過海試，該儀器還實(shí)現(xiàn)了深海冷泉區(qū)域溶解氣的長時間（25.8h）原位檢測及海平面至海底（-1388m-0m）溶解氣的在線檢測，獲取了深海海底小分子溶解氣濃度隨時間的變化曲線及縱向濃度分布輪廓線等關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)。

相關(guān)研究成果以《用于深海氣體原位檢測的水下質(zhì)譜儀的研制與應(yīng)用》為題發(fā)表在《中國分析化學(xué)》上。

海洋探測中常用的各種傳感器儀器及分類

海洋儀器設(shè)備的一個最大特點(diǎn)是，生產(chǎn)批量小、應(yīng)用范圍窄、使用壽命短，而穩(wěn)定、可靠性和一致性，以及測量分辨率和精度等要求又特別高，需要在不斷應(yīng)用中改進(jìn)制造工藝和提高技術(shù)性能。

傳感器技術(shù)是海洋儀器設(shè)備的基礎(chǔ)，其各方面性能是衡量儀器設(shè)備好壞的關(guān)鍵，同時也是調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證，各種數(shù)據(jù)訂正方案應(yīng)運(yùn)而生，但是在長期的觀測中，傳感器的穩(wěn)定性、漂移、準(zhǔn)確度等指標(biāo)依然是最重要的部分。

海洋中使用了各種各樣的傳感器儀器，包括聲學(xué)多普勒電流剖面儀，底流流量計(jì)，底部壓力和傾斜儀，電導(dǎo)率-溫度深度（CTD），溶解氧傳感器，數(shù)碼相機(jī)，高清攝像機(jī)，水聽器，質(zhì)譜儀，光學(xué)衰減傳感器，pH和二氧化碳傳感器，壓力傳感器，遠(yuǎn)程訪問液體和DNA采樣器，電阻率探頭，地震儀，聲納，熱敏電阻陣列和湍流電流計(jì)等等。

海洋傳感器根據(jù)檢測參數(shù)類別可大致劃分為水質(zhì)類、水文類、地質(zhì)地震類、聲學(xué)探測類、光學(xué)探測類等，每一類檢測參數(shù)大則包含上百項(xiàng)檢測目標(biāo)，少則數(shù)十項(xiàng)檢測目標(biāo)，且根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境的不同，每一項(xiàng)檢測參數(shù)的工作原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段各有不同。

日益重視，近年我國海洋傳感器儀器的研究現(xiàn)狀，與取得的突破

近年來，我國日益重視海洋傳感器及儀器設(shè)備等相關(guān)海洋科學(xué)技術(shù)的研究。

在2013年，科技部正式批復(fù)，組建青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室；2015年6月，實(shí)驗(yàn)室正式投入運(yùn)行，成為所有試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室中唯一轉(zhuǎn)為正式國家實(shí)驗(yàn)室的研究機(jī)構(gòu)。

此外，國內(nèi)有多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)從事海洋傳感器方面的研究：

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所側(cè)重在化學(xué)/物理測量、溫度/熱量測量、非特定變量測量、力的測量以及控制系統(tǒng)方面進(jìn)行技術(shù)布局；

中國海洋大學(xué)側(cè)重在非特定變量、距離/攝影測量、化學(xué)/物理測量、重力測量和控制系統(tǒng)方面進(jìn)行技術(shù)布局；

國家海洋技術(shù)中心側(cè)重在距離測量、化學(xué)/物理測量、溫度測量、流量測量和船用設(shè)備方面進(jìn)行技術(shù)布局；

天津大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在化學(xué)/物理測量、平衡測量、距離測量、船用設(shè)備和非特定變量測量等領(lǐng)域；

浙江大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在化學(xué)/物理測量、平衡測量、信號控制傳輸、液力機(jī)械和船用設(shè)備等領(lǐng)域；

浙江海洋大學(xué)的專利技術(shù)主要布局在船用設(shè)備、化學(xué)/物理測量、控制系統(tǒng)、平衡測量、電場分離等領(lǐng)域；

大連科技學(xué)院的專利技術(shù)主要布局在非特定變量測量、化學(xué)/物理測量、長度/角度等測量、液力機(jī)械和距離/攝影測量等領(lǐng)域。

在產(chǎn)業(yè)化方面，我國90%的傳感器依賴進(jìn)口，只有通過國產(chǎn)化來降低成本，國內(nèi)海工裝備才用得起傳感器。國外的海洋傳感器已經(jīng)近二十年沒有更新?lián)Q代了，但是在過去二十年，材料技術(shù)、信息技術(shù)、集成電路技術(shù)等都取得了很大的進(jìn)步，當(dāng)這些新技術(shù)滲透到海洋傳感器領(lǐng)域的時候，就會有大的突破，也是國內(nèi)海洋傳感器領(lǐng)域的機(jī)遇所在。

海洋化學(xué)傳感器、海洋微生物傳感器也都存在不能與時俱進(jìn)的問題，我國目前尚不具備全面、完整的微生物數(shù)據(jù)庫，適合長期海洋監(jiān)測的便攜、低功耗、原位、實(shí)時、快速、精確的海洋微生物傳感器也未有相關(guān)產(chǎn)品。

目前，進(jìn)口CTD溫鹽深剖面儀、ADCP等海洋儀器設(shè)備在我國還有占有很大的市場份額。但令人欣喜的看到，通過近些年來國內(nèi)相關(guān)科技企業(yè)的共同努力，在部分海洋傳感器領(lǐng)域已經(jīng)做到了國產(chǎn)代替，其實(shí)驗(yàn)室測量精度已與國外同類產(chǎn)品不相上下，與世界先進(jìn)水平也已相差無幾，只是其穩(wěn)定、可靠性還需要進(jìn)一步提升。

結(jié)語

要解決海洋領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)受制于人的問題，關(guān)鍵是增強(qiáng)科技攻關(guān)能力，強(qiáng)化自主創(chuàng)新成果的源頭供給。

在全球范圍內(nèi)傳感器有超過2萬億的市場規(guī)模，我國傳感器相關(guān)企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，加強(qiáng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的學(xué)科交叉與協(xié)同攻關(guān)，強(qiáng)化新原理、新方法創(chuàng)新與已有技術(shù)的完善，多項(xiàng)并舉才能掌握海洋科技發(fā)展主動權(quán)，合力解決海洋傳感器領(lǐng)域的“卡脖子”問題。

未來，我國將基于創(chuàng)新的光電集成芯片和光學(xué)傳感原理，基于光電集成芯片技術(shù)，依靠發(fā)展成熟的集成電路的制造設(shè)備與工藝水平和在中國國產(chǎn)化的集成電路芯片制造水平，結(jié)合我國已搭建起的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，通過國內(nèi)外的密切合作，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片級海洋物理、化學(xué)和微生物傳感器，并且實(shí)現(xiàn)微型化與國產(chǎn)化，應(yīng)用到高端智能裝備的制造領(lǐng)域。

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審核編輯 黃宇